磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的控制方法及裝置與流程

本發明屬于磁懸浮軸承技術領域，具體涉及一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的控制方法及裝置。

背景技術：

磁懸浮軸承在旋轉機械領域的應用逐年增加。磁懸浮軸承可提供非接觸式支撐，尤其適合在高轉速、低損耗、低噪音的場合使用，而且磁懸浮軸承的剛度、阻尼可調節。當磁懸浮軸系發生高速跌落時，軸系與保護軸承之間將發生劇烈地碰撞和摩擦，對軸系和保護軸承都造成較大損害。iso14839中定義了磁懸浮軸系跌落后的三種典型的軌跡響應，包括：鐘擺振動、混合摩擦和彈跳以及全周摩擦。

中國申請號“201610982431”的發明專利提供了一種磁懸浮軸承軸系跌落軌跡響應識別方法，提出通過軸系的徑向位移以及快速傅里葉變換所得重心坐標值定量識別這三種軌跡響應。

中國申請號“201610861858”的發明專利提供了基于希爾伯特變換的磁懸浮軸承軸系跌落軌跡響應識別方法及裝置，提出使用通過希爾伯特變換所得瞬時頻率的方差和期望定量識別這三種軌跡響應。

以上兩篇文章提出了兩種如何識別三種典型軌跡響應的方法，并未解決磁懸浮軸承軸系跌落后如何實現快速重新懸浮來減少對軸系和保護軸承造成損害的關鍵問題。為克服上述現有技術的缺點，本發明提出了一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的控制方法及裝置，通過監測軸系的徑向位移以及通過希爾伯特變換所得瞬時頻率的期望進行軌跡響應的識別，并在此基礎之上針對不同軌跡響應類型，提出了不同的磁懸浮軸承的控制策略。當軸系發生全周摩擦時，該控制策略能實現軸系的快速重新懸浮，從而有效地降低軸系渦動頻率，減少磁懸浮軸承的損傷。本方法計算簡單便捷，可實施性好。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的控制方法及裝置，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟1、計算軸系位移信號的采樣周期；

步驟2、設定閾值α、ε1、ε2、自由跌落時的鐘擺頻率β、軸心運動速度閾值v1和保護軸承氣隙s；

步驟3、監測磁懸浮軸系的懸浮狀態；

步驟4、截取采樣周期內軸系的位移信號，并計算該采樣周期內軸系徑向位移的期望值；

步驟5、將軸系在采樣周期內的徑向位移期望值與閾值s+ε1進行比較，判斷軸系的軌跡響應類型是否為混合摩擦和彈跳；

步驟6、計算該采樣周期內軸系沿x軸方向位移的瞬時頻率，并求解其期望值；

步驟7、計算采樣周期內軸系位移信號的瞬時頻率后，進一步求解瞬時頻率的期望值并與閾值β+ε2進行比較，再次判斷軸系的軌跡響應類型是鐘擺振動還是全周摩擦；

步驟8、針對不同的軌跡響應類型，采取相應的控制方法令軸系重新懸浮。

所述步驟1采樣周期t的計算公式為：

其中，fp為采樣頻率，s為軸系與保護軸承內圈的間隙，g為重力加速度；

t＝n·δt(0.2)

其中，n是一個采樣周期內的采樣點數，δt是相鄰采樣點之間的時間間隔。

所述步驟3軸系懸浮狀態的判斷條件為：

其中，xr和yr分別是為軸系沿x和y軸方向上位移，x和y軸方向是笛卡爾坐標系中相互垂直的兩個坐標軸的方向，α為閾值；

其中當軸系被判定為跌落狀態時，則開始進行采樣，并截取本采樣周期內軸系的徑向位移。

所述步驟4計算該采樣周期內軸系徑向位移的期望值，該期望值的計算公式如下：

其中，xr(i)和yr(i)分別是為軸系沿x和y軸方向上該采樣周期第i個采樣點的位移，ed為采樣周期內軸系徑向位移的期望值；

所述步驟5通過將軸系徑向位移的期望值與閾值s+ε1比較，判斷軸系的軌跡響應類型是否為混合摩擦和彈跳；該比較的判別公式如下：

其中，ε1為閾值。

所述步驟6計算采樣周期內軸系位移信號的瞬時頻率是通過希爾伯特變換的方法得出的，所述希爾伯特變換的計算公式為：

其中，xr(n)為所獲取的軸系離散時域位移信號、n表示希爾伯特變換前的第n個數據，y(k)為希爾伯特變換的結果、k表示希爾伯特變換后結果的第k個數據；進一步地，解析信號z(n)描述為：

z(n)＝xr(n)+iy(n)＝a(n)e^iθ(n)(0.8)

其中，a(n)是瞬時幅值和θ(n)是瞬時相位，瞬時頻率finst(n)的計算公式為：

所述步驟7通過將瞬時頻率的期望值與閾值β+ε2比較，判斷軸系的軌跡響應類型是自由跌落時的鐘擺振動還是全周摩擦及高頻擺動，判別公式為：

其中，ef為采樣周期內軸系運動瞬時頻率的期望值，finst(i)為該采樣周期第i個采樣點的瞬時頻率，β為自由跌落時的鐘擺頻率，ε2為閾值。

所述步驟8令軸系重新懸浮的控制方法，當軸系的軌跡響應為全周摩擦或者高頻擺動時，磁軸承控制器的輸出控制指令ic是由懸浮指令is和渦動或擺動的阻尼指令id加權求和得到的；

其中，懸浮指令由原控制算法求解得到；渦動或擺動的阻尼指令id＝[idxidy]，計算步驟如下：

其中，idx和idy分別是x和y方向的渦動阻尼指令；ω是渦動頻率，當渦動為順時針時取正值，逆時針時取負值；icmax是最大控制電流。

所述的加權系數在渦動頻率不高于閾值ω0時，正比于渦動頻率；當渦動頻率高于閾值ω0時，加權系數始終為1；加權系數ψ與渦動頻率ω之間的判別式為：

控制器輸出的控制指令ic＝[icxicy]通過方程(0.14)計算得到：

其中，icx和icy分別是輸出控制指令沿x和y軸方向的分量；isx和isy分別是懸浮指令沿x和y軸方向的分量。

所述的軸系軌跡響應類型被判定為混合摩擦和彈跳或者自由跌落時的鐘擺振動時，控制器仍采用原懸浮狀態時的控制算法。

所述磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的裝置，其特征在于，包括以下模塊：

采樣周期計算模塊100，用于求解連續時域位移信號的采樣周期和頻率；

閾值設定模塊200，用于設定閾值α、ε1、ε2、自由跌落時的鐘擺頻率β、軸心運動速度閾值v1和保護軸承氣隙s；

懸浮狀態監測模塊300，用于實時監測軸系的懸浮狀態；

位移信號獲取模塊400，用于獲取軸系的連續時域位移信號；

位移信號比較模塊500，用于求解采樣周期內軸系徑向位移的期望值，并將期望值與閾值s+ε1比較；

瞬時頻率計算模塊600，用于通過希爾伯特變換計算軸系運動的瞬時頻率譜信號；

瞬時頻率比較模塊700，用于求解采樣周期內軸系運動瞬時頻率的期望值，并將期望值與閾值β+ε2比較；

軌跡響應識別模塊800，用于判斷軸系在采樣周期內的軌跡響應類型；

懸浮狀態控制模塊900，當軌跡響應類型為混合摩擦和彈跳、自由跌落時的鐘擺振動以及軸系處于懸浮狀態時，采用該模塊的控制程序；

全周摩擦控制模塊1000，當軌跡響應類型為全周摩擦或者高頻擺動時控制器時，控制器將采用該模塊的控制程序。

所述采樣周期計算模塊100中采樣周期t的計算公式為：

其中，fp為采樣頻率，s為軸系與保護軸承內圈的間隙，g為重力加速度；

t＝n·δt

其中，n是一個采樣周期內的采樣點數，δt是相鄰采樣點之間的時間間隔；

所述懸浮狀態監測模塊300中懸浮狀態的判斷條件為：

其中，xr和yr分別是為軸系沿x和y軸方向上位移，x和y軸方向是笛卡爾坐標系中相互垂直的兩個坐標軸的方向，α為閾值；

其中當軸系被判定為跌落狀態時，則開始進行采樣，并截取本采樣周期內軸系的徑向位移。

所述位移信號獲取模塊400中計算該采樣周期內軸系徑向位移的期望值，該期望值的計算公式如下：

其中，xr(i)和yr(i)分別是為軸系沿x和y軸方向上該采樣周期第i個采樣點的位移，ed為采樣周期內軸系徑向位移的期望值。

所述位移信號比較模塊500中將軸系徑向位移的期望值與閾值s+ε1比較，判斷軸系的軌跡響應類型是否為混合摩擦和彈跳；該比較的判別公式如下：

其中，ε1為閾值。

所述瞬時頻率計算模塊600中采樣周期內軸系位移信號的瞬時頻率是通過希爾伯特變換的方法得出的，所述希爾伯特變換的計算公式為：

其中，xr(n)為所獲取的軸系離散時域位移信號、n表示希爾伯特變換前的第n個數據，y(k)為希爾伯特變換的結果、k表示希爾伯特變換后結果的第k個數據；解析信號z(n)描述為：

z(n)＝xr(n)+iy(n)＝a(n)e^iθ(n)

其中，a(n)是瞬時幅值和θ(n)是瞬時相位，瞬時頻率finst(n)的計算公式為：

所述瞬時頻率比較模塊700中將瞬時頻率的期望值與閾值β+ε2比較，判斷軸系的軌跡響應類型是自由跌落時的鐘擺振動還是全周摩擦及高頻擺動，判別公式為：

其中，ef為采樣周期內軸系運動瞬時頻率的期望值，finst(i)為該采樣周期第i個采樣點的瞬時頻率，β為自由跌落時的鐘擺頻率，ε2為閾值。

所述懸浮狀態控制模塊900中軸系軌跡響應類型被判定為混合摩擦和彈跳與自由跌落時的鐘擺振動時，控制器仍采用原懸浮狀態時的控制算法。

所述全周摩擦控制模塊1000中當軸系的軌跡響應為全周摩擦或者高頻擺動時，磁軸承控制器的輸出控制指令ic是由懸浮指令is和渦動或擺動的阻尼指令id加權求和得到的；

其中，懸浮指令由原控制算法求解得到；渦動或擺動的阻尼指令id＝[idxidy]，計算步驟如下：

其中，idx和idy分別是x和y方向的渦動阻尼指令；ω是渦動頻率，當渦動為順時針時取正值，逆時針時取負值；icmax是最大控制電流。

所述的加權系數在渦動頻率不高于閾值ω0時，正比于渦動頻率；當渦動頻率高于閾值ω0時，加權系數始終為1；加權系數ψ與渦動頻率ω之間的判別式為：

控制器輸出的控制指令ic＝[icxicy]通過方程(0.14)計算得到：

其中，icx和icy分別是輸出控制指令沿x和y軸方向的分量；isx和isy分別是懸浮指令沿x和y軸方向的分量。

另外，根據本發明上述實施例的一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的裝置還可以具有以下附加的技術特征：

本發明通過求解軸心的徑向位移信號的期望值以及軸心運動的瞬時頻率信號的期望值，定量劃分軸系跌落后的軌跡響應，實時性好，計算簡便。針對軸系發生全周摩擦時，提出將懸浮力與渦動阻尼力加權求和控制方法，能夠明顯抑制軸系的渦動頻率，降低軸系振動的幅值和頻率，并實現軸系的重新懸浮。

附圖說明

圖1為一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的控制方法的流程圖；

圖2為加權系數與渦動頻率之間的關系示意圖；

圖3為根據本發明一個實施例的軸心軌跡圖；

圖4為根據本發明一個實施例的沿x方向位移的瞬時頻率的示意圖；

圖5為根據本發明一個實施例在每個采樣周期內徑向位移期望值的示意圖；

圖6為根據本發明一個實施例在每個采樣周期內沿x方向瞬時頻率期望值的示意圖；

圖7為一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮裝置的結構示意圖。

具體實施方式

本發明提出了一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的控制方法及裝置，下面參照附圖和實施例對本發明作進一步描述。

如圖1-6所示的一個實施例，所述的實施例中s為1.5×10^-4m，加速度g為9.8m/s²，則采用頻率f0為40.68hz，且采樣周期l為0.025s；自由跌落時鐘擺振動的頻率β為40.68hz；軸系質量為11.5kg，軸系跌落初始速度為16000r/min,軸系與保護軸承內圈表面摩擦系數為0.2。假設磁軸承在0-0.225s的時間內突發故障，軸系發生自由跌落；本控制方法在0.225s后使該磁軸承恢復正常工作。

如圖1-6所示，在本實施例中，該方法包括以下步驟：

第一步，計算軸系位移信號的采樣周期t，獲得采樣頻率fp，計算公式為：

其中，fp為采樣頻率，s為軸系與保護軸承內圈的間隙，g為重力加速度。

t＝n·δt

其中，n是一個采樣周期內的采樣點數，δt是相鄰采樣點之間的時間間隔。

計算軸系-保護軸承系統的自由跌落時的鐘擺頻率β：

第二步，控制器實時監測磁懸浮軸系的懸浮狀態，判斷軸系是否處于懸浮狀態的公式：

其中，xr(i)和yr(i)分別是為軸系沿x和y軸方向上該采樣周期第i個采樣點的位移，在本實施例中取閾值α＝2×10^-5。

第三步，截取采樣周期δt內軸系的位移信號，并計算該采樣周期內軸系的徑向位移的期望值ed。

其中，n為采樣時間內的采樣點數。

將軸系在采樣周期內的徑向位移的期望值ed與閾值s+ε1進行比較。

如圖5所示，軸系在0.025-0.075s期間內軸系的軌跡響應為混合摩擦和彈跳；

如圖3所示，虛線的半徑為軸系與保護軸承之間的氣隙；x軸方向和y軸方向分別是笛卡爾坐標系中的橫坐標方向和豎坐標方向，二者為相互垂直的兩個坐標軸的方向；

第四步，提取在該采樣周期t內軸系沿x軸方向的位移信號，并對該信號進行希爾伯特變換。所述希爾伯特變換的計算公式為：

其中，xr(n)為所獲取的軸系離散時域位移信號、n表示希爾伯特變換前的第n個數據，y(k)為希爾伯特變換的結果、k表示希爾伯特變換后結果的第k個數據；解析信號z(n)描述為：

z(n)＝xr(n)+iy(n)＝a(n)e^iθ(n)

其中，a(n)是瞬時幅值和θ(n)是瞬時相位，瞬時頻率finst(n)的計算公式為：

軸系沿x方向運動的瞬時頻率如圖4所示。

進一步地，計算瞬時頻率的期望值ef：

進一步地，通過將瞬時頻率的期望值ef與閾值β+ε2比較，判斷軸系的軌跡響應是自由跌落時的鐘擺振動還是全周摩擦及高頻擺動：

如圖5所示，在0.075-0.225s期間內軸系的軌跡響應為全周摩擦；

第五步，當軸系的軌跡響應為全周摩擦或者高頻擺動時，磁軸承控制器的輸出控制指令ic是由懸浮指令is和渦動或擺動的阻尼指令id加權求和得到的；

其中，懸浮指令由原控制算法求解得到；渦動或擺動的阻尼指令id＝[idxidy]，計算步驟如下：

其中，idx和idy分別是x和y軸方向的渦動阻尼指令；ω是渦動頻率，當渦動為順時針時取正值，逆時針時取負值；icmax是最大控制電流。

所述的加權系數在渦動頻率不高于閾值ω0時，正比于渦動頻率；當渦動頻率高于閾值ω0時，加權系數始終為1；加權系數ψ與渦動頻率ω之間的判別式為：

控制器輸出的控制指令ic＝[icxicy]通過方程(0.14)計算得到：

其中，icx和icy分別是輸出控制指令沿x和y軸方向的分量；isx和isy分別是懸浮指令沿x和y軸方向的分量。

所述軸系軌跡響應類型被判定為混合摩擦和彈跳或者自由跌落時的鐘擺振動時，控制器仍采用原懸浮狀態時的控制算法。

如圖2所示，加權系數ψ與渦動頻率ω之間，當渦動頻率不高于閾值ω0時，加權系數正比于渦動頻率；當渦動頻率高于閾值ω0時，加權系數始終為1

磁軸承所能提供的最大電磁力為：

fmax＝ki×imax-kx×s＝250n

其中，ki為磁軸承的力/電流系數，kx為磁軸承的力/位移系數，imax為最大控制電流。

渦動速度臨界值v1＝0.0807m/s可通過下面的公式求解：

其中，mr為軸系的質量。

如圖4所示，控制器從0.225s開始執行全周摩擦時的控制程序，渦動頻率出現明顯地下降。

如圖7所示，一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的裝置10，該裝置包括：采樣周期計算模塊100、閾值設定模塊200、懸浮狀態監測模塊300、位移信號獲取模塊400、位移信號比較模塊500、瞬時頻率計算模塊600、瞬時頻率比較模塊700、軌跡響應判斷模塊800、懸浮狀態控制模塊900和全周摩擦控制模塊1000。

其中，采樣周期計算模塊100用于求解連續時域位移信號的采樣周期和頻率。閾值設定模塊200用于設定閾值α、ε1、ε2、自由跌落時的鐘擺頻率β、軸心運動速度閾值v1和保護軸承氣隙s。懸浮狀態監測模塊300用于實時監測軸系的懸浮狀態。位移信號獲取模塊400用于獲取軸系的連續時域位移信號。位移信號比較模塊500用于求解采樣周期內軸系位移信號的期望值，并將期望值與閾值s+ε1比較。瞬時頻率計算模塊600用于通過希爾伯特變換計算軸系運動的瞬時頻率譜信號。瞬時頻率比較模塊700用于求解采樣周期內軸系運動瞬時頻率的期望值，并將期望值與閾值β+ε2比較。軌跡響應識別模塊800，用于判斷軸系在采樣周期內的軌跡響應。懸浮狀態控制模塊900，當軌跡響應為混合摩擦和彈跳、自由跌落時的鐘擺振動以及軸系處于懸浮狀態時，控制器將采用該模塊的控制程序。全周摩擦控制模塊1000，當軌跡響應為全周摩擦以及高頻擺動時，控制器將采用該模塊的控制程序。

需要說明的是，前述對一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮的控制方法實施例的解釋說明也適用于該實施例的一種磁懸浮軸系跌落軌跡識別與重新懸浮裝置，此處不再贅述。

根據本發明實施例的一種磁懸浮跌落振動抑制與重新懸浮的裝置，通過提取軸系的位移信號，求解采樣周期內軸系的位移期望以及瞬時頻率的期望，對軸系跌落過程的軌跡響應進行識別。本發明通過軸系的徑向位移以及通過希爾伯特變換所得瞬時頻率的期望進行軌跡響應的識別，并在此基礎之上針對不同軌跡響應類型，提出了不同的磁懸浮軸承的控制策略。當軸系發生全周摩擦時，該控制策略能有效降低軸系渦動頻率，降低磁懸浮軸承的損傷，并且實現軸系的重新懸浮。本方法計算簡單便捷，可實施性好。由于希爾伯特變換可以跟蹤系統振動的瞬態頻率分布，可以實現頻率變化的瞬時計算，實時性好，簡單便捷。此外，針對軸系發生全周摩擦以及磁軸承和保護軸承共同承載時提出新的控制方法，新方法能降低軸系的振動，具有更好的控制穩定性。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“鐘擺振動”、“混合摩擦和彈跳”和“全周摩擦”是國際標準iso14839中定義的磁懸浮軸承跌落至保護軸承后的軌跡響應類型。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“示例”或“具體示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。